巨磁電阻效應及其應用實驗報告

1、巨磁電阻效應及其應用【實驗目的】1、了解GM效應的原理2、測量GM模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線3、測量GM的磁阻特性曲線4、用GM能感器測量電流5、用GM梯度傳感器測量齒輪的角位移，了解GM轉(zhuǎn)速（速度）傳感器的原理【實驗原理】根據(jù)導電的微觀機理，電子在導電時并不是沿電場直線前進，而是不斷和晶格中的原子產(chǎn)生碰撞（又稱散射），每次散射后電子都會改變運動方向，總的運動是電場對電子的定向加速與這種無規(guī)散射運動的疊加。稱電子在兩次散射之間走過的平均路程為平均自由程，電子散射幾率小，則平均自由程長，電阻率低。電阻定律R=Pl/S中，把電阻率P視為常數(shù)，與材料的幾何尺度無關，這是因為通常材料的幾何尺度遠大于

2、電子的平均自由程（例如銅中電子的平均自由程約34nmD,可以忽略邊界效應。當材料的幾何尺度小到納米量級，只有幾個原子的厚度時（例如，銅原子的直徑約為0.3nm）,電子在邊界上的散射幾率大大增加，可以明顯觀察到厚度減小，電阻率增加的現(xiàn)象。電子除攜帶電荷外，還具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁場兩種可能取向。早在1936年，英國物理學家，諾貝爾獎獲得者N.F.Mott指出，在過渡金屬中，自旋磁矩與材料的磁場方向平行的電子，所受散射幾率遠小于自旋磁矩與材料的磁場方向反平行的電子。總電流是兩類自旋電流之和；總電阻是兩類自旋電流的并聯(lián)電阻，這就是所謂的兩電流模型。在圖2所示的多層膜結(jié)構(gòu)中，無外磁

3、場時，上下兩層磁性材料是反平行（反鐵磁）耦合的。施加足夠強的外磁場后，兩層鐵磁膜的方向都與外磁場方向一致，外磁場使兩層鐵磁膜從反平行耦合變成了平行耦合。電流的方向在多數(shù)應用中是平行于膜面的。圖3是圖2結(jié)構(gòu)的某種GMR料的磁阻特性。由圖可見，隨著外磁場增大，電阻逐漸減小，其間有一段線性區(qū)域。當外磁場已使兩鐵磁膜完全平行耦合后，繼續(xù)加大磁場，電阻不再減小，進入磁飽和區(qū)域。磁阻變化率AR/R達百分之十幾，加反向磁場時磁阻特性是對稱的。注意到圖2中的曲線有兩條，分別對應增大磁場和減小磁場時的磁阻特性，這是因為鐵磁材料都具有磁滯特性。有兩類與自旋相關的散射對巨磁電阻效應有貢獻。其一，界面上的散射。無外磁

4、場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向相反，無論電子的初始自旋狀態(tài)如何，從一層鐵磁膜進入另一層鐵磁膜時都面臨狀態(tài)改變（平行-反平行，或反平行-平行），電子在界面上的散射幾率很大，對應于高電阻狀態(tài)。有外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向一致，電子在界面上的散射幾率很小，對應于低電阻狀態(tài)。其二，鐵磁膜內(nèi)的散射。即使電流方向平行于膜面，由于無規(guī)散射，電子也有一定的幾率在上下兩層鐵磁膜之間穿行。無外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向相反，無論電子的初始自旋狀態(tài)如何，在穿行過程中都會經(jīng)歷散射幾率?。ㄆ叫校┖蜕⑸鋷茁蚀螅ǚ雌叫校﹥煞N過程，兩類自旋電流的并聯(lián)電阻相似兩個中等阻值的電阻的并聯(lián)，對應于高電阻狀態(tài)。有外磁場時

5、，上下兩層鐵磁膜的磁場方向一致，自旋平行的電子散射幾率小，自旋反平行的電子散射幾率大，兩類自旋電流的并聯(lián)電阻相似一個小電阻與一個大電阻的并聯(lián)，對應于低電阻狀態(tài)。多層膜GMRF構(gòu)簡單，工作可靠，磁阻隨外磁場線性變化的范圍大，在制作模擬傳感器方面得到廣泛應用。在數(shù)字記錄與讀出領域，為進一步提高靈敏度，發(fā)展了自旋閥結(jié)構(gòu)的GMR【實驗儀器】主要包括：巨磁電阻實驗儀、基本特性組件、電流測量組件、角位移測量組件、磁讀寫組件?；咎匦越M件由GMR擬傳感器，螺線管線圈及比較電路，輸入輸出插孔組成。用以對GM的磁電轉(zhuǎn)換特性，磁阻特性進行測量。GMRF感器置于螺線管的中央。螺線管用于在實驗過程中產(chǎn)生大小可計算的磁

6、場，由理論分析可知，無限長直螺線管內(nèi)部軸線上任一點的磁感應強度為：B=0nI(1)式中n為線圈密度，I為流經(jīng)線圈的電流強度，N0=4幾父10"H/m為真空中的磁導率。采用國際單位制時，由上式計算出的磁感應強度單位為特斯拉(1特斯拉=10000高斯)。【實驗內(nèi)容及實驗結(jié)果處理】一、GMR莫擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量在將GMR勾成傳感器時，為了消除溫度變化等環(huán)境因素對輸出的影響，一般采用橋式結(jié)構(gòu)。a幾何結(jié)構(gòu)b電路連接GMR莫擬傳感器結(jié)構(gòu)圖對于電橋結(jié)構(gòu)，如果4個GMRI阻對磁場的影響完全同步，就不會有信號輸出。圖17-9中，將處在電橋?qū)俏恢玫膬蓚€電阻R3,R4覆蓋一層高導磁率的材料如坡莫

7、合金，以屏蔽外磁場對它們的影響，而R1,R2阻值隨外磁場改變。設無外磁場時4個GMRfe阻的阻值均為R,R1、R2在外磁場作用下電阻減小R,簡單分析表明，輸出電壓：U=UIN(2R-:R)(2)屏蔽層同時設計為磁通聚集器，它的高導磁率將磁力線聚集在R1、R2電阻所在的空間，進一步提高了R1,R2的磁靈敏度。從幾何結(jié)構(gòu)還可見，巨磁電阻被光刻成微米寬度迂回狀的電阻條，以增大其電阻至kC數(shù)量級，使其在較小工作電流下得到合適的電壓輸出。0.30輸出2GMR莫擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性模擬傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性實驗原理圖將GMR莫擬傳感器置于螺線管磁場中，功能切換按鈕切換為“傳感器測量”。實驗儀的4V電壓源接至

8、基本特性組件“巨磁電阻供電”，恒流源接至“螺線管電流輸入”，基本特性組件“模擬信號輸出”接至實驗儀電壓表。按表1數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)勵磁電流，逐漸減小磁場強度，記錄相應的輸出電壓于表格“減小磁場”列中。由于恒流源本身不能提供負向電流，當電流減至0后，交換恒流輸出接線的極性，使電流反向。再次增大電流i,此時流經(jīng)螺線管的電流與磁感應強度的方向為負，從上到下記錄相應的輸出電壓。電流至-100mA后，逐漸減小負向電流，電流到0時同樣需要交換恒流輸出的極性。從下到上記錄數(shù)據(jù)于表一“增大磁場”列中。理論上講，外磁場為零時，GMR傳感器的輸出應為零，但由于半導體工藝的限制，4個橋臂電阻值不一定完全相同，導致外磁場為零

9、時輸出不一定為零，在有的傳感器中可以觀察到這一現(xiàn)象。根據(jù)螺線管上表明的線圈密度，由公式（1）計算出螺線管內(nèi)的磁感應強度Bo以磁感應強度B作橫坐標，電壓表的讀數(shù)為縱坐標作出磁電轉(zhuǎn)換特性曲線。不同外磁場強度時輸出電壓的變化反映了GMRF感器的磁電轉(zhuǎn)換特性，同一外磁場強度下輸出電壓的差值反映了材料的磁滯特性。表1GMR模擬傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性的測量（電橋電壓4V,線圈密度為24000匝/米）磁感應強度/高斯輸出電壓/mV勵磁電流/mA磁感應強度/高斯減小磁場增大磁場10030.15842282289027.14262282288024.12672272277021.11092272266018.095

10、02262245015.07922222154012.0634196180309.0475147132206.03179681103.0158504051.5079312100.00001210-5-1.50792030-10-3.01583950-20-6.03178093-30-9.0475129144-40-12.0634179194-50-15.0792215222-60-18.0950224226-70-21.1109226227-80-24.1267227227-90-27.1426228228-100-30.1584228228、GM褐阻特性測量磁阻特性測量原理圖為加深對巨磁電阻

11、效應的理解，我們對構(gòu)成GMR莫擬傳感器的磁阻進行測量。將基本特性組件的功能切換按鈕切換為“巨磁阻測量”，此時被磁屏蔽的兩個電橋電阻R&R4被短路，而R1、R2并聯(lián)。將電流表串連進電路中，測量不同磁場時回路中電流的大小，就可以計算磁阻。實驗裝置：巨磁阻實驗儀，基本特性組件。將GMR莫擬傳感器置于螺線管磁場中，功能切換按鈕切換為“巨磁阻測量”。實驗儀的4伏電壓源串連電流表后，接至基本特性組件“巨磁電阻供電”，恒流源接至“螺線管電流輸入”。按表2數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)勵磁電流，逐漸減小磁場強度，記錄相應的磁阻電流于表格“減小磁場”列中。由于恒源流本身不能提供負向電流，當電流減至0后，交換恒流輸出接線的極

12、性，使電流反向。再次增大電流，此時流經(jīng)螺線管的電流與磁感應強度的方向為負，從上到下記錄相應的輸出電壓。電流至一100mA后，逐漸減小負向電流，電流到0時同樣需要交換恒流輸出接線的極性。從下到上記錄數(shù)據(jù)于“增大磁場”列中。根據(jù)螺線管上表明的線圈密度，由公式（1）計算出螺線管內(nèi)的磁感應強度Bo由歐姆定律R=U/I計算磁阻。以磁感應強度B作橫坐標，磁阻為縱坐標做出磁阻特性曲線。應該注意，由于模擬傳感器的兩個磁阻是位于磁通聚集器中，與圖3相比，我們作出的磁阻曲線斜率大了約10倍，磁通聚集器結(jié)構(gòu)使磁阻靈敏度大大提高。不同外磁場強度時磁阻的變化反映了GMR勺磁阻特性，同一外磁場強度的差值反映了材料的磁滯特

13、性。表2GMR磁阻特性的測量（磁阻兩端電壓4V）磁感應強度/高斯磁阻/Q減小磁場增大磁場勵磁電流/mA磁感應強度/高斯磁阻電流/mA磁阻/Q磁阻電流/mA磁阻/Q10030.15841.8822125.39851.882127.65969027.14261.8822125.39851.882127.65968024.12671.8812126.52841.882127.65967021.11091.882127.65961.8792128.79196018.09501.8792128.79191.8772131.06025015.07921.8752133.33331.872139.03744

14、012.06341.852162.16221.8372177.4633309.04751.8052216.06651.7892235.8860206.03171.7582275.31291.7462290.9507103.01581.7182328.28871.7092340.550051.50791.72352.94121.6922364.066200.00001.6852373.88721.6822378.1213-5-1.50791.6942361.27511.6992354.3261-10-3.01581.7092340.55001.7172329.6447-20-6.03171.74

15、52292.26361.7552279.2023-30-9.04751.7882237.13651.8022219.7558-40-12.06341.8342181.02511.8482164.5022-50-15.07921.8692140.18191.8742134.4717-60-18.09501.8772131.06021.8782129.9255-70-21.11091.8792128.79191.8792128.7919-80-24.12671.882127.65961.882127.6596-90-27.14261.882127.65961.882127.6596-100-30.

16、15841.882127.65961.882127.6596三、GRMFF關(數(shù)字)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線測量表3GRM開關傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量高電平=1V低電平=0V減小磁場增大磁場開關動作勵磁電流/mA磁感應強度/高斯開關動作勵磁電流/mA磁感應強度/高斯關20.46.1525關20.76.2430開23.67.1176開23.37.0271四、用GM模擬傳感器測量電流GM模擬傳感器在一定的范圍內(nèi)輸出電壓與磁場強度成線性關系，且靈敏度高，線性范圍大，可以方便的將GMR成磁場計，測量磁場強度或其它與磁場相關的物理量。作為應用示例，我們用它來測量電流。由理論分析可知，通有電流I的無限長直

17、導線，與導線距離為r的一點的磁感應強度為:B=叱01/2%r=2Ix10-7/r(3)磁場強度與電流成正比，在r已知的條件下，測得B,就可知I。在實際應用中，為了使GM模擬傳感器工作在線性區(qū)，提高測量精度，還常常預先給傳感器施加一固定已知磁場，稱為磁偏置，其原理類似于電子電路中的直流偏置。模擬傳感器測量電流實驗原理圖實驗裝置：巨磁阻實驗儀，電流測量組件實驗儀的4伏電壓源接至電流測量組件“巨磁電阻供電”，恒流源接至“待測電流輸入”，電流測量組件“信號輸出”接至實驗儀電壓表。將待測電流調(diào)節(jié)至0。將偏置磁鐵轉(zhuǎn)到遠離GM靜感器，調(diào)節(jié)磁鐵與傳感器的距離，使輸出約25mV將電流增大到300mA按表4數(shù)據(jù)逐

18、漸減小待測電流，從左到右記錄相應的輸出電壓于表格“減小電流”行中。由于恒流源本身不能提供負向電流，當電流減至0后，交換恒流輸出接線的極性，使電流反向。再次增大電流，此時電流方向為負，記錄相應的輸出電壓。逐漸減小負向待測電流，從右到左記錄相應的輸出電壓于表格“增加電流”行中。當電流減至0后，交換恒流輸出接線的極性，使電流反向。再次增大電流，此時電流方向為正，記錄相應的輸出電壓。將待測電流調(diào)節(jié)至0。將偏置磁鐵轉(zhuǎn)到接近GM磕感器，調(diào)節(jié)磁鐵與傳感器的距離，使輸出約150mV用低磁偏置時同樣的實驗方法，測量適當磁偏置時待測電流與輸出電壓的關系。表4用GMR莫擬傳感器測量電流待測電流/mA30020010

19、00-100-200-300輸出電壓/mV低磁偏置（約25mV）減小電流27.72726.225.524.723.923增加電流28.127.326.425.724.924.123適當磁偏置（約150mV）減小電流154.2153.4152.4151.5150.5149.4148.2增加電流154.4153.3152.2151.2150.2149.2148.2五、GM梯度傳感器的特性及應用將GM電橋兩對對角電阻分別置于集成電路兩端，4個電阻都不加磁屏蔽，即構(gòu)成梯度傳感器。這種傳感器若置于均勻磁場中，由于4個橋臂電阻阻值變化相同，電橋輸出為零。如果磁場存在一定的梯度，各GM電阻感受到的磁場不同，磁阻變化不一樣，就會有彳t號輸出。圖18以檢測齒輪的角位移為例，說明其應用原理。圖18用GMR梯度傳感器檢測齒輪位移將永磁體放置于傳感器上方，若齒輪是鐵磁材料，永磁體產(chǎn)生的空間磁場在相對于齒牙不同位置時，產(chǎn)